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영구 변형을 방지하면서 훅의 법칙 범위 내에서 유지되는 토크를 원형 샤프트에 적용하는 시나리오를 생각해 보세요. 따라서 전단 변형률에 대한 공식이 다시 검토됩니다. 이 공식에 강성 계수를 곱한 다음 전단 응력 및 변형률에 대한 훅의 법칙을 적용합니다. 결과적으로 샤프트…
원형 샤프트에 가해지는 토크가 Hooke의 법칙 한계 내에 있으므로 영구 변형이 없는 경우를 생각해 보십시오.
이제 전단 변형에 대한 표현을 기억하십시오. 여기에 강성 계수를 곱하고 전단 응력 및 변형률에 대한 Hooke의 법칙을 사용하면 샤프트의 전단 응력에 대한 표현을 결정할 수 있습니다.
샤프트의 모든 단면에 가해지는 기본 힘의 모멘트의 합은 샤프트에 가해지는 토크의 크기와 같아야 한다는 것을 기억하십시오.
전단 응력을 대체하고 항을 재정렬하면 적분 항이 있는 표현이 제공되며, 이는 중심에 대한 단면의 극 관성 모멘트를 나타냅니다.
최대 전단 응력에 대한 추가 재배열 및 대체는 단단하고 균일한 원형 샤프트에서 전단 응력에 대한 탄성 비틀림 공식을 제공합니다.
그러나 r1과 r2를 내부 및 외부 반지름으로 하는 중공축의 경우 극 관성 모멘트는 두 반지름의 4승 차이로 표현됩니다.
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Q1: What is the elastic torsion formula for shearing stress in a circular shaft?
The elastic torsion formula determines shearing stress in a rigid uniform circular shaft by combining Hooke's Law with the polar moment of inertia. It derives from multiplying shearing strain by the modulus of rigidity, then ensuring the sum of moments on any cross-section equals the applied torque. This formula applies when torque remains within Hooke's law limit, preventing permanent deformation.
Q2: How does the polar moment of inertia differ between solid and hollow circular shafts?
For a solid circular shaft, the polar moment of inertia is calculated from the fourth power of the radius. For a hollow shaft with inner radius r1 and outer radius r2, the polar moment of inertia is expressed as the difference in the fourth power of both radii. This difference accounts for the removed material in the hollow center.
Q3: Why is the modulus of rigidity important in deriving shaft stress equations?
The modulus of rigidity relates shearing stress to shearing strain through Hooke's Law. When multiplied by the shearing strain expression, it enables derivation of the shearing stress equation for the shaft. This material property is essential for connecting elastic deformation behavior to the applied torque.
Q4: What role does the sum of moments play in the elastic torsion formula?
The sum of moments of elementary forces exerted on any cross-section of the shaft must equal the magnitude of the applied torque. This equilibrium condition is fundamental to deriving the elastic torsion formula. Substituting this relationship into the stress equation produces the integral term representing polar moment of inertia.
Q5: When can the elastic torsion formula be applied to a circular shaft?
The elastic torsion formula applies when torque remains within Hooke's law limit, ensuring no permanent deformation occurs. Under these conditions, the shaft exhibits linear elastic behavior, and shearing stress is directly proportional to shearing strain. This linear range assumption is critical for formula validity.
Q6: How does maximum shearing stress relate to the polar moment of inertia in torsion?
Maximum shearing stress is inversely proportional to the polar moment of inertia. After substituting for maximum shearing stress in the equilibrium equation, the polar moment of inertia emerges as a key geometric property. Larger polar moments of inertia reduce maximum stress for the same applied torque, which is why hollow shafts are often preferred in design of transmission shafts.
Q7: What assumptions must be satisfied for the elastic torsion formula to hold?
The shaft must be rigid and uniform with constant cross-section. Torque must remain within Hooke's law limit to prevent plastic deformation. The formula assumes linear elastic material behavior where shearing stress is proportional to shearing strain. These conditions ensure the derived relationships between torque, stress, and geometric properties remain valid.